鄧尚敏

退臺式體型收進高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

鄧尚敏

（南寧市建筑規(guī)劃設(shè)計集團，廣西 南寧 530026）

文章介紹了退臺式體型收進高層建筑結(jié)構(gòu)方案的比選確定過程。重點分析由于裙房與退臺塔樓剛質(zhì)偏心引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，提出了減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及其對結(jié)構(gòu)不利影響的設(shè)計思路和加強措施。針對退臺建筑特點，在塔樓底部兩層的建筑端部增設(shè)斜撐，形成過渡層，避免在體型收進的結(jié)構(gòu)薄弱部位出現(xiàn)豎向抗側(cè)力構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，合理優(yōu)化退臺塔樓側(cè)向剛度，減小地震作用效應(yīng)。

退臺；剛質(zhì)偏心；扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；過渡層

引言

退臺式高層建筑立面體型豐富靈動，有利于建筑滿足通風(fēng)采光要求，并且其建筑留白區(qū)域能為住戶提供較大的屋外活動空間，深受業(yè)主和建筑師的推崇，在酒店住宅建筑中得到廣泛應(yīng)用。同時，退臺式體型收進高層建筑通常會出現(xiàn)裙房與退臺塔樓剛質(zhì)偏心、體型收進部位及退臺處側(cè)向剛度及質(zhì)量突變、結(jié)構(gòu)外圍結(jié)構(gòu)不連續(xù)等結(jié)構(gòu)問題，給結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]對塔樓偏置的定義：單塔或多塔合質(zhì)心與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長的20%；對側(cè)向剛度不規(guī)則的定義：局部收進的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%，兩者均屬于用上下樓層的質(zhì)心偏心距或平面尺寸衡量塔樓的偏置及側(cè)向剛度不規(guī)則程度的范疇。規(guī)范沒有明確裙房剛心與塔樓合質(zhì)心偏置的程度對裙樓扭轉(zhuǎn)效應(yīng)所起的主導(dǎo)作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在確定結(jié)構(gòu)方案時往往僅局限于對本樓層平面內(nèi)剛質(zhì)偏心的控制，忽略了沿建筑高度方向上裙房與退臺塔樓剛質(zhì)偏心所引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)偏大的問題。同時，過多增大塔樓的側(cè)向剛度以減少結(jié)構(gòu)體型收進部位側(cè)向剛度及受剪承載力的不均勻程度，導(dǎo)致塔樓側(cè)向剛度與塔樓自身質(zhì)量相不匹配，使塔樓受到的地震作用偏大，進一步加大了裙房的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)偏大，結(jié)構(gòu)受力不合理，不僅影響結(jié)構(gòu)安全，還造成了工程造價不必要的增加。

本文運用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方法對退臺式體型收進高層建筑的結(jié)構(gòu)問題進行簡化梳理，結(jié)合建筑的功能條件提出對應(yīng)的結(jié)構(gòu)解決方案。同時，通過對不同結(jié)構(gòu)方案計算結(jié)果的比對分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取有效的加強措施，減輕由于建筑形體的不規(guī)則給結(jié)構(gòu)抗震性能帶來的不利影響，指出了退臺式體型收進高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。

1　工程概況

防城港市某酒店商業(yè)建筑，地上26層，地下1層，建筑總高度為95.7 m，典型層高3.6 m，效果圖見圖1。擬建場地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05 g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為II類，特征周期為0.35 s，屬于標準設(shè)防類建筑?；撅L(fēng)壓值：0.75 KN/m2，地面粗糙度類別為A類，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.5。采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，框架及剪力墻抗震等級均為三級。由于結(jié)構(gòu)超長，因此設(shè)置抗震縫將建筑物劃分為四個相互獨立的結(jié)構(gòu)單元，本文對第三結(jié)構(gòu)單元進行設(shè)計分析。

圖1 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)方案的比選確定

根據(jù)建筑高度和使用功能要求，本工程采用結(jié)構(gòu)布置靈活且具有較大側(cè)向剛度的框架剪力墻結(jié)構(gòu)。1～18層裙房平面尺寸長53.7 m×寬18.25 m；19～26層塔樓向建筑左側(cè)偏置且逐層退臺，19層塔樓平面尺寸長28.8 m×寬18.25 m。18層典型體型收進比例=24800/53700=0.46＞0.25；體型收進部位高度比例=63.3/95.7=0.66＞0.20，如圖2、圖3所示，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3－2002）（下簡稱《高規(guī)》）[2]3.5.5規(guī)定，屬于體型收進結(jié)構(gòu)。

圖2 建筑立面圖

圖3 裙房18層剛質(zhì)偏心示意圖

本文通過對三個結(jié)構(gòu)方案進行分析比較，并確定最終結(jié)構(gòu)方案，各方案結(jié)構(gòu)采用的裙房及塔樓結(jié)構(gòu)布置如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)方案匯總

2.1 裙房結(jié)構(gòu)布置

本建筑的房間分隔上下對齊、均勻?qū)ΨQ，為框架柱及剪力墻的布置提供了良好條件。最初的結(jié)構(gòu)方案一在側(cè)向剛度較弱的橫向，三個軸線上成榀對齊布置剪力墻，形成良好的抗側(cè)力體系，有效提高了結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件平面布置規(guī)則均勻，平面剛心和質(zhì)心基本重合。裙房結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 裙房原結(jié)構(gòu)布置圖

國內(nèi)、外歷次大地震震害表明，平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心和抗扭剛度太弱的結(jié)構(gòu)，在地震中會遭受到嚴重的破壞。國內(nèi)一些振動臺模型試驗結(jié)果也表明，過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴重破壞[2]。因此樓層的層間位移比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的主要指標。

計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)方案一的周期比和位移角等指標均滿足規(guī)范要求，但與體型收進塔樓相接的裙房屋面18層左下角的墻柱1，如圖4所示，在Y向負偏心規(guī)定水平力作用下層間位移比發(fā)生突變，由19層1.34突變到1.72，遠超規(guī)范限值1.4，裙房1～18層相同位置的層間位移比都超過規(guī)范的限值，如表2所示，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)問題突出。

結(jié)構(gòu)角點墻柱1的層間位移比超限的原因：由于上部塔樓層數(shù)多、質(zhì)量大，塔樓傳遞至裙房的地震作用遠大于裙房屋面本身質(zhì)量產(chǎn)生的地震作用。同時，由于塔樓體型收進，上部塔樓的質(zhì)心和裙房屋面剛心相距較遠，如圖3所示，導(dǎo)致上部塔樓傳到裙樓豎向構(gòu)件的水平力對裙樓產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，裙房剛心與塔樓合質(zhì)心偏置的程度對裙樓的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)起主導(dǎo)作用。因此，需對原裙房結(jié)構(gòu)布置進行調(diào)整，在不影響建筑使用功能的提前下，把抗側(cè)剛度較強的剪力墻向建筑左側(cè)調(diào)整，減少裙房剛心與塔樓合質(zhì)心偏置程度，如圖3所示，結(jié)構(gòu)方案二及最終結(jié)構(gòu)方案的裙房結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 裙房最終結(jié)構(gòu)布置圖

計算結(jié)果顯示，經(jīng)調(diào)整，結(jié)構(gòu)層間位移比均滿足規(guī)范要求，其中，18層墻柱1的層間位移比由原1.72降至1.42，效果顯著，如表2所示。同時，結(jié)構(gòu)角點的內(nèi)力大幅下降，其中地震作用下18層左下角墻柱1的剪力由原297.4 KN降至250.2 KN，降幅達15% ；左上角墻柱2的剪力由原-205.7 KN降至-147.3 KN，降幅達28%，墻柱內(nèi)力的不均勻程度有了明顯改善，如表3、表4所示。

通過上述對裙房結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整，有效減少了上部塔樓和裙房屋面之間的質(zhì)剛偏心距，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大幅降低。

2.2 退臺塔樓結(jié)構(gòu)布置

為減少體型收進部位結(jié)構(gòu)剛度的變化，有效控制結(jié)構(gòu)的高振型反應(yīng)，《高規(guī)》規(guī)定上部收進結(jié)構(gòu)的底部樓層層間位移角不宜大于相鄰下部區(qū)段最大層間位移角的1.15倍[2]。

塔樓傳遞至裙房的地震作用大小也是決定體型收進結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大小的主要因素。在滿足上述《高規(guī)》規(guī)定的前提下，合理優(yōu)化上部塔樓側(cè)向剛度與塔樓質(zhì)量的關(guān)系，使塔樓側(cè)向剛度與塔樓自身質(zhì)量相匹配，避免因塔樓側(cè)向剛度過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)吸收過大地震作用的情況出現(xiàn)，合理減弱塔樓的側(cè)向剛度可有效減小裙房扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖6 塔樓19、20層原結(jié)構(gòu)布置圖

圖7 塔樓19、20層最終結(jié)構(gòu)布置圖

由于退臺式體型收進，塔樓的樓層質(zhì)量較裙房樓層質(zhì)量有大幅減少，為使塔樓側(cè)向剛度與其樓層質(zhì)量相匹配，在結(jié)構(gòu)方案二塔樓（如圖6所示）的基礎(chǔ)上減少塔樓的橫向剪力墻，如圖7所示，合理減弱塔樓的側(cè)向剛度，減少塔樓傳遞到裙房的地震作用。經(jīng)過調(diào)整，地震作用下體型收進部位樓層的剪力Vy減少了約18%，如表5所示，18層層間位移比由原來的1.42降至1.34，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進一步降低。同時，結(jié)構(gòu)角點的內(nèi)力進一步減小，其中，18層左下角墻柱1的剪力由原250.2 KN降至105.7 KN，降幅達58%，左上角墻柱2的剪力由原-147.3 KN降至87.4 KN，降幅達40%，墻柱內(nèi)力的不均勻程度進一步改善，如表3、表4所示。

同時，在體型收進部位塔樓底部兩層（19層、20層），針對退臺建筑特點，在塔樓兩端增設(shè)鋼筋混凝土斜撐，塔樓結(jié)構(gòu)布置如圖7所示（與增設(shè)剪力墻相比，可避免出現(xiàn)豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的不規(guī)則項），可提高塔樓底部樓層的抗側(cè)剛度，形成過渡層，減少體型收進部位的剛度突變，19層側(cè)移剛度RJY3由原來的5.6657E+05（kN/m）提高至7.3630E+05（kN/m），提高了30%；19層樓層受剪承載力Vy由原來的9786.68 KN提高到12940.27 KN，提高了30%，同時塔樓的抗扭剛度及承載力也相應(yīng)提高。

通過上述對塔樓結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整，使塔樓側(cè)向剛度與其樓層質(zhì)量相匹配，可減少地震作用下的樓層剪力，同時，進一步減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。上部收進塔樓底部19層層間位移角1/3304與相鄰下部裙房最大層間位移角1/2989的比值為0.90，小于高規(guī)[2]1.15的限值，剛度變化滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過對裙房及塔樓結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整，確定了最終結(jié)構(gòu)方案：裙房結(jié)構(gòu)布置如圖5所示、塔樓的19層、20層結(jié)構(gòu)布置如圖7所示。結(jié)構(gòu)方案比選過程中三個結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)布置匯總?cè)绫?所示。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 針對體型收進的計算分析對比

采用SATWE對最終結(jié)構(gòu)方案進行計算分析，各項指標均滿足規(guī)范要求，效果良好。針對體型收進部位附近樓層，結(jié)構(gòu)方案比選過程中的三個結(jié)構(gòu)方案的計算分析對比結(jié)果如表2至表5所示。

表2 Y向負偏心靜震（規(guī)定水平力）工況的樓層層間位移比分布

表3 Y負偏心地震及Y向風(fēng)荷載作用下墻柱1的剪力 Vy(kN) 及降幅

注：降幅均為與方案一剪力比較的結(jié)果。

表4 Y負偏心地震及Y向風(fēng)荷載作用下墻柱2的剪力 Vy(kN) 及降幅

注：降幅均為與方案一剪力比較的結(jié)果。

表5 地震作用下結(jié)構(gòu)體型收進部位樓層的剪力 Vy(kN)

3.2 彈性時程分析及彈塑性靜力補充計算

采用SATWE進行多遇地震彈性時程分析，時程分析的計算結(jié)果與反應(yīng)譜法計算結(jié)果基本吻合，彈性時程分析得到的樓層剪力均未超出反應(yīng)譜法的計算結(jié)果，同時各樓層的層間位移角未有明顯突變，如表6所示。

表6 彈性時程分析主要指標

采用PKPM靜力推覆進行罕遇地震彈塑性靜力分析，分析結(jié)果表明，本工程性能點最大層間位移角X向為1/560、Y向為1/406，均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011—2010（2016年版）[1]5.5.5中的層間位移角不超過1/100的規(guī)定。

4 加強措施

針對退臺式體型收進結(jié)構(gòu)的不規(guī)則類型，根據(jù)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方法和計算分析結(jié)果，采取以下加強措施：

（1）為保證塔樓的地震作用可靠地傳遞到裙房結(jié)構(gòu)，并在裙房結(jié)構(gòu)內(nèi)有效傳遞，體型突變部位的樓板應(yīng)加厚并加強配筋，樓板厚度150 mm，雙層雙向配筋，每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不小于0.25%。體型突變部位上、下層結(jié)構(gòu)的樓板也應(yīng)采取加強構(gòu)造措施。

（2）為保證塔樓與底盤整體工作，體型收進部位上、下各2層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級提高一級，按二級抗震采用；柱箍筋在裙樓屋面上、下層的范圍內(nèi)全高加密。

（3）由于建筑體型偏心收進，加強收進部位以下2層裙房結(jié)構(gòu)周邊框架柱縱向鋼筋的最小配筋率，角柱箍筋全高加密。

（4）塔樓各層框架角柱箍筋全高加密，外周圈柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當(dāng)提高；框架梁通長面筋不少于梁端面筋截面面積的1/4，以加強退臺塔樓的整體抗震性能。

5 結(jié)論

（1）退臺式體型收進高層建筑的結(jié)構(gòu)布置，應(yīng)減小裙房剛心與退臺塔樓各層合質(zhì)心的偏心距，可有效降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及其對結(jié)構(gòu)的的不利影響。

（2）合理優(yōu)化塔樓的側(cè)向剛度，使塔樓側(cè)向剛度與塔樓自身質(zhì)量相匹配，可減少地震作用下的樓層剪力，在體型收進部位上下樓層效果顯著，有效減少體型收進部位的內(nèi)力及變形集中，進一步減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（3）在塔樓底部兩層的建筑端部增設(shè)斜撐，形成過渡層，避免在體型收進的結(jié)構(gòu)薄弱部位出現(xiàn)豎向抗側(cè)力構(gòu)件的轉(zhuǎn)換；同時可有效減少結(jié)構(gòu)體型收進部位側(cè)向剛度及受剪承載力不均勻程度，提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度及承載力。

（4）在同等剛質(zhì)偏心條件下，偏心地震工況較風(fēng)荷載工況產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更明顯、對結(jié)構(gòu)的不利影響更大。

（5）由于塔樓層層內(nèi)收的原因，退臺塔樓各樓層結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較普通體型收進塔樓明顯，應(yīng)提高塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件及框架梁剛度及承載力。

[1] GB50011－2010. 建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] JGJ3－2010. 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]朱炳寅. 建筑抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)用與分析（第2版）[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2017.

Design and Analysis of Retractable High-Rise Building Structure with Setback Terraces Form

This paper introduces the process of comparison and determination of structural schemes of retractable high-rise buildings with setback terraces form. This paper focuses on the torsional effect caused by the eccentricity of the rigid mass between the podium and the setback terraces tower, and puts forward the design ideas and strengthening measures to reduce the torsional effect and its adverse impact on the structure. According to the characteristics of the setback terraces building, the diagonal brace was added at the end of the bottom two floors of the tower to form a transition layer, so as to avoid the conversion of vertical lateral force resisting members in the weak part of the structure, and optimize the lateral stiffness of the setback terraces tower reasonably to reduce the earthquake effect.

setback terraces; rigidity eccentricity; torsional effect; transition layer

TU318

A

1008-1151(2022)06-0030-04

2022-02-22

鄧尚敏（1977－），男，南寧市建筑規(guī)劃設(shè)計集團高級工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，碩士，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。